光学基础知识与光辐射

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1、第1章光学基础知识与光辐射光电子技术基础厚德博学求实创新主要内容了解光的波粒二象性及其典型现象掌握电磁波的产生、传播及在空间传播的电磁波的一些普遍特性掌握麦克斯韦方程组的积分形式和微分形式掌握光的传播规律了解辐射度学和光度学基础知识掌握黑体热辐射的一些基本定律1.1光的波粒二象性在人们对物理学的研究过程中，光的本性和光的颜色问题一直是研究的热点。17世纪西方对于光的本质的认识有两种主要的学说：以牛顿为代表的微粒说，认为光是直线传播的微粒流；以惠更斯为代表的波动说，认为光在弹性介质中传播的波动。惠更斯认为，光是一种机械波，光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是“以太”；波面上

2、的各点本身就是引起媒质振动的波源。牛顿提出了两点反驳惠更斯的理由。一是光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物；二是方解石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质，而波动说是无法解释其原因的。由于牛顿的权威，微粒说占了上风，致使很长时间波动说观点被忽略。1.1光的波粒二象性19世纪，杨氏(T.Young)和菲涅尔(A.J.Fresnel)等人发现了光的干涉、衍射和偏振等现象。这些现象都是光的波动性的基本特征。1850年，佛科(J.B.Foucault)利用实验测出了光在水中的速度，证实光在水中的速度要小于在空气中的速度。19世纪中期，麦克斯韦(J.C.Maxwell)建立了电磁场理

3、论，确认光是一种电磁波，否定了惠更斯的机械波动说。随后赫兹在实验室证明了电磁波的存在，并进一步证明了电磁波和光波一样能发生反射、折射、干涉和偏振等现象。19世纪末，迈克尔逊干涉实验进一步摒弃了有关“以太”的假设，从而为波动说建立了更为坚实的理论基础。1.1光的波粒二象性19世纪末，人们发现了一些不能用波动说解释的现象。如黑体辐射、光电效应和原子的线状光谱等。20世纪初普朗克提出了光辐射的量子理论。1905年爱因斯坦发表了题为《光于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文。他认为对于时间的平均值，光表现为波动；而对于时间的瞬时值，光表现为粒子性。光的波粒二象性在20世纪初得到了科学家们的公认。

4、1.1光的波粒二象性光子能够表现出经典电磁波的干涉、折射和衍射等性质。描述光子波动特征的物理量是频率v和波长。光子具有波动性表现为它在空间运动轨迹的不确定性，即在考察每个光子的运动时，光子没有确定的轨迹。但是在考察光子束的全部光子的运动时，光子的运动就表现出与经典电磁波动理论计算结果一致的规律性。1.1.1光子的波动性光子的粒子性表现为和物质相互作用时不像经典电磁波那样可以传递任意值的能量，其只能传递量子化的能量。描述光子粒子性特征的物理量是能量和动量P。光是以光速运动的粒子（或光子）流，每一个光子的能量是：式中，h为普朗克常量，v为光的频率，为光的圆频率。光的能量密度或光强I(单位时间内

5、垂直通过单位面积的光能)决定于单位时间内通过的光子数N，其表示式为：I=Nhv1.1.1光子的粒子性根据爱因斯坦狭义相对论，每个光子的质量为：由相对论的能量和动量关系：光子的静止质量为零，所以光子的动量大小为：描述光子的粒子性物理量能量和动量p与波动性物理量频率v和波长之间，存在下式关系：1.1.1光子的粒子性电磁波是一种物质，也具有能量。电磁场理论认为，光是一定频率范围内的电磁波，而电磁波就是变化电磁场的传播。变化的电场E会产生磁场B，变化的磁场B会产生电场E，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波。1.2光的电磁理论电磁

6、波的产生电磁波的传播方向垂直于由电场E和磁场B组成的平面，有效地传递动量和能量等。电磁波传播方向1.2.1电磁波的性质电磁波是横波，所以电场矢量E和磁场矢量H所组成的平面垂直于传播方向K，电场矢量E和磁场矢量H与传播方向K构成右手螺旋关系。沿给定方向传播的电磁波，E和H的振动方向均在垂直于传播方向K的平面内，这种特性即为偏振性。空间各点E和H都做周期性变化，而且相位相同。在任意时刻空间任一点，E和H在量值上的关系为(1-8)1.2.1电磁波的性质1.2.2电磁波谱电磁波谱真空中的波长频率/MHZ主要产生方式本质用途无线电波>1mm<3×105由振荡电路所产生的电磁辐射无线电技术红外线0.7

7、6m～1mm3×105～4×108由炽热物体气体放电或其它光源激发分子或原子等所产生的电磁辐射外层电子跃迁红外线遥感可见光0.40～0.76m4×108～7.5×108照明、摄影紫外线0.03～0.40m7.5×108～1010医用消毒、防伪、照相制版X射线0.1nm～0.03m1010～3×1012用高速电子流轰击原子中的内层电子而产生的电磁辐射内层电子跃迁检查、医用透视射线1.0pm～0.1nm3×1012～3×10